参考绕组法直流电流比较仪自校准

周力任 潘洋 朱力

摘要：为提升磁调制式直流电流比较仪的性能，探索低磁势至额定磁势下的比例准确度，提出基于参考绕组法的自校准方法。分析含有参考绕组的DCC结构，通过测量独立的10组一次绕组与参考绕组和10组一次绕组串联后与二次绕组的差值电流，结合公式推导计算，得到一次绕组相对于参考绕组以及二次绕组的比例实际值和相应误差。测量结果的相对误差和不确定度都达到10^-8量级。采用具有溯源性的传递比较法对自校准结果进行验证，经过与上一级计量机构的测量结果和不确定度比较，满足JJF 1033-2016《计量标准考核规范》对测量结果验证的要求。基于参考绕组的DCC自校准方法具有测量结果不确定度小和测量过程简单的优点，满足直流电流比例溯源的要求。

关键词：直流电流比较仪;传递比较法;参考绕组法;自校准;不确定度

中图分类号：TM276文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2019）04-0043-04

0引言

直流电流的计量是电磁计量的重要组成部分，涉及工业生产和科学研究中的诸多领域。磁调制式直流电流比较仪（DCC）是基于磁调制原理的一种闭环控制结构，以实现电流比例的变换。由于直流条件下无法直接进行磁感应耦合，因此需要借助磁调制器的调制、解调技术来实现安匝平衡，即工作在零磁通状态。DCC以其高准确度、低漂移、高线性度等突出优点，被广泛用于直流电流的量值传递与溯源。

为确保DCC的性能可靠，必须对其准确度进行校准。邵海明提出了一种在实际工作状态下的DCC高准确度自校准新方法——串并联法，主要通过固定一次母线、控制并联时流过绕组电流的均匀性，由1A：1A自校准开始，4次测量后电流比例快速扩展到5kA：5A，测量结果的不确定度为1.0×10^-8-2.6×10^-7。曹燕飞等提出一种电流比例标准装置自校准方法，经自校、加法、比较、测β及乘法步骤，完成绝对校准。加法需要由2台DCC完成，其测量步骤较多，不确定度较小，适合电流比例不太大的情况;而乘法则需要3台DCC共同完成，在非额定磁势下进行校准，实现电流比例的快速扩展。Rietveld等H在一次电流超过100A时采用等安匝方法进行校准，最大电流为600A，测量结果的不确定度优于5×10^-6。

为了探索DCC在低磁势至额定磁势下的比例线性度，本文提出一种基于参考绕组法的自校准方法，将测量结果与上一级计量机构的量值溯源结果采用传递比较法进行验证，为DCC产品设计及性能提升提供参考。

1参考绕组法的测量原理

DCC由1对高磁导率的主铁芯、屏蔽铁芯、激励绕组、比例绕组和调制解调电路等构成。反向串联两个铁芯的激励绕组，从而构成差动式结构。当被测直流电流为零时，两个铁芯中只有激励电压所产生的交流磁场，由于是反向串联，因此检测绕组感应的电压大小相等、方向相反，互相抵消。当被测直流电流不为零时，直流偏置磁场使得铁芯在一个方向上较另一个方向更易饱和，对称性被破坏。通过解调电路将表征被测电流大小和方向的偶次谐波的峰差值转换为直流电压信号，再经功率放大后输送至二次绕组，形成一个闭环控制的反馈随动系统，实时跟随待测直流电流信号。

当二次绕组产生的磁势I2×N2（二次电流乘以二次绕组匝数）抵消被测电流产生的磁势I2×N1（一次电流乘以一次绕组匝数）时，DCC进入“零磁通”状态，一次与二次的电流比例反比于其绕组的匝数比，从而实现高准确的直流比例。

本文研制了1台高性能的DCC，加入参考绕组，其结构如图1所示。图中，W2（i=1，2，…，10）表示10组以100T为步进的一次绕组，由拨盘控制任意可调;Wr表示与一次绕组步进相同的即匝数为100T的参考绕组;Ws表示二次绕组，其匝数为固定的1000T;DCI表示直流电流源，自校准时提供一次电流;nA表示小电流表，用于测量差值电流。各绕组在主铁芯上均匀密绕，然后将端子引出到DCC的前面板，便于接线。

参考绕组法的自校准步骤分为2步。1）测量每组一次绕组相对于参考绕组的差值。将独立的10组一次绕组逐个与参考繞组反向串联，形成100T与100T的比较，接线如图l所示。直流电流源输出1A的额定电流Ii，磁势平衡后，记录小电流表测得的差值电流△Ii，可得：

2）测量串联后的一次绕组相对于二次绕组的差值。参考电流比例的自校准方法，将独立的10组一次绕组同向串联，与二次绕组形成1000T与1000T的比较，如图2所示。

直流电流源同样输出1A的额定电流I，磁势平衡后，记录小电流表测得的差值电流△I，可得：

2自校准的结果与验证

图3为DCC自校准试验所需仪器的照片，包括一台含参考绕组的高准确度DCC、能够提供稳定直流的电流源和分辨率达到pA级的小电流表。

按上文所述步骤进行测量，结果如表1和表2所示。根据表中数据，结合式（5）和式（6）的计算，可最终得到一次绕组与参考绕组和二次绕组的比例实际值，分别如表3和表4所示。需要说明的是式（5）和式（6）的计算结果为绕组匝数比，由上文阐述可知DCC的电流比例与其匝数比成反比，因此还需进行一步求倒数的计算。

从测量结果可知，无论是一次绕组相对于参考绕组，还是相对于二次绕组，电流比例的相对误差都为10^-8量级。可见DCC电流比例的线性度和准确度都非常高。

将此台DCC送至上一级计量机构进行量值溯源，对各个测量点进行校准，验证自校准的结果。下文以（w1/ws）为例。

根据JJF 1033-2016《计量标准考核规范》，选择传递比较法进行验证，具体过程为：用被考核的计量标准测量一稳定的被测对象，然后将该被测对象用高等级的计量标准进行测量。若用被考核计量标准和高等级的计量标准进行测量时的扩展不确定度分别为U_Iab和U_ref，它们的校准结果分别为‰和y_ref，在两者的包含因子近似相等的前提下应当满足：

自校准测量结果的不确定度主要来源于：测量重复性、DCC零点的漂移、差值电流的测量、二次电流的测量和磁势不平衡。表5提供了自校准的结果和绝对不确定度以及上一级计量机构的校准结果和绝对不确定度，相对不确定度也都达到了10^-8量级，可以看出，满足式（7）的要求，因此验证结果满意。

3结束语

本文从参考绕组法的测量原理人手，分析了1种含有参考绕组的DCC结构，详细阐述了自校准的2个步骤，列出了独立的10组一次绕组与参考绕组和10组一次绕组串联后与二次绕组的差值电流。根据测量原理进行了公式推导，最终得到一次绕组相对于参考绕组和一次绕组相对于二次绕组的比例实际值。结果显示，相对误差和相对不确定度都达到了10^-8量级。

采用具有溯源性的传递比较法对自校准结果进行了验证，结合本实验室和上一级计量机构的测量结果与不确定度，满足JJF 1033-2016《计量标准考核规范》对测量结果验证的要求。基于参考绕组法的直流电流比较仪自校准方法具有测量结果不确定度小和测量过程简单的优点，能快速实现误差的测量，满足DCC电流比例溯源的要求。